Отказы кварц и кристаллическое стекло при работе в проекционные и дисплейные системы обычно укладываются в небольшое число закономерностей, и у каждой есть характерный признак. В этой статье разобраны типичные виды отказов, способы отличить их друг от друга с помощью измерений, а не догадок, и те изменения процесса или конструкции, которые действительно устраняют первопричину.
Оптический кварц и кристаллическое стекло в Проекционные и дисплейные системы
Для проекционные и дисплейные системы это означает конкретный набор требований, а не общее предпочтение качества. Проекционные и дисплейные тракты ставят несколько покрытых поверхностей между источником света и зрителем, поэтому каждая поверхность должна быть и высокопропускающей, и цветонейтральной. Паразитные изображения, вызванные непокрытой задней поверхностью, — постоянная жалоба, а в проекторах с лазерной подсветкой покрытие должно также справляться с чувствительной к спеклам когерентностью и более высоким потоком.
Особенности покрытия и осаждения
Нанесение покрытия на кварц означает работу с напряжениями и чистотой. Его низкое расширение означает, что подложка не снимет напряжения, которые вносит плотный оксидный стек, поэтому на тонких деталях покрытие может заметно выгнуть окно; иногда требуется уравновешенная конструкция со слоем, компенсирующим напряжения, на обратной стороне. Кварц притягивает и удерживает загрязнения иначе, чем мягкое стекло, поэтому очистка перед нанесением покрытия длиннее и обычно включает обработку УФ-озоном или в плазме. Для лазерных деталей спецификацию определяют поглощение покрытия и порог повреждения, и покрытие нужно оценивать на рабочей длине волны и длительности импульса, а не по удобному широкополосному среднему. В Проекционные и дисплейные системы именно сочетание твёрдого покрытия с низким поглощением и кромки с фаской и тонкой доводкой позволяет кварцевому окну пережить и оптический поток, и термический цикл.
Правила проектирования, снижающие стоимость
Проектировать с кварцем — значит использовать его свойства, не платя за них дважды. Применяйте его там, где действительно нужны пропускание в УФ, низкое расширение или высокий порог повреждения, а в остальных местах используйте обычное оптическое стекло; гибридная сборка с кварцевым окном и боросиликатным крепёжным кольцом должна учитывать рассогласование расширений, которое значительно, даже если сам кварц смещается очень мало. Держите кромки с фаской и не зажимайте деталь прямо за оптическую поверхность. Избегайте одновременного задания очень тонкой детали и очень жёсткой плоскостности, если крепление этого не обеспечит. Для поляризационной работы укажите на чертеже ориентацию оси. В Проекционные и дисплейные системы короткий разбор конструкции до первого реза обычно полностью снимает один из жёстких допусков, а это самое дешёвое из возможных перепроектирований.
Типичные виды отказов и их проявления
Отказы кварца обычно оптические или термические, а не механические. Солнеризация, постепенная потеря пропускания в УФ при длительном облучении, возникает в некоторых марках и предотвращается выбором материала с высоким содержанием OH. Девитрификация, превращение аморфной поверхности в кристаллическую при высокой температуре в присутствии загрязнений, даёт необратимо мутную поверхность и обычно вызвана загрязнением щелочами или металлами при обращении или прогреве. Трещины от термических напряжений появляются там, где деталь зажата или где есть неучтённый градиент. Поглощение покрытия вызывает пятна повреждения в лазерной работе. В Проекционные и дисплейные системы отказ, проявившийся при высокой температуре, всегда должен вызывать пересмотр того, что касалось детали: перчатки, маркеры и упаковка — все это частые источники загрязнения, запускающего девитрификацию.
Контроль и измерения
Контроль кварцевых деталей выходит за рамки обычных проверок качества поверхности. Пропускание следует измерять в интересующей полосе, включая глубокий УФ, куда обычный спектрофотометр может не дотянуться. Однородность и двулучепреломление проверяют интерферометрически или полярископом, а включения оценивают по классу пузырей. Для лазерной оптики испытание порога лазерного повреждения на контрольном образце из той же партии даёт куда больше уверенности, чем один сертификат. Размеры проверяют по чертежу с особым вниманием к отклонению толщины пластин. В Проекционные и дисплейные системы аттестованное испытание на повреждение часто оказывается единственным способом обосновать смену материала перед внутренним заказчиком, потому что разница в характеристиках между двумя марками кварца может не проявиться ни в одном другом измерении.
Допуски, которые действительно важны
Кварцевые детали рассчитывают так же, как другие оптические элементы, но несколько допусков заслуживают особого внимания. Плоскостность и волновой фронт на пропускание измеряют на заданной длине волны, и поскольку кварц жёсткий и малорасширяющийся, отличная плоскостность действительно достижима, а не номинальна. Двулучепреломление задают в нанометрах на сантиметр для плавленых деталей, и оно внутренне присуще кристаллическому материалу; если применение чувствительно к поляризации, это число должно стоять на чертеже. Для пластин общее отклонение толщины и коробление важны наравне с оптической формой, потому что деталь может обрабатываться на вакуумном столе, где плоскостность задаётся механически. Качество поверхности указывают в скретч-диг, а обработку кромки — в размере скола. В Проекционные и дисплейные системы стоит указать, должна ли форма поверхности сохраняться при рабочей температуре или только при комнатной.
Требования, специфичные для Проекционные и дисплейные системы
Для проекционные и дисплейные системы это означает конкретный набор требований, а не общее предпочтение качества. Проекционные и дисплейные тракты ставят несколько покрытых поверхностей между источником света и зрителем, поэтому каждая поверхность должна быть и высокопропускающей, и цветонейтральной. Паразитные изображения, вызванные непокрытой задней поверхностью, — постоянная жалоба, а в проекторах с лазерной подсветкой покрытие должно также справляться с чувствительной к спеклам когерентностью и более высоким потоком.
- Пропускание выше 98 процентов при двустороннем AR
- Цветонейтральное остаточное отражение
- Точность дихроичного разделения цветов в пределах ±5 nm
- Термическая стабильность при нагреве лампой или лазером
Чертежи по ISO 10110, контекст ISO 9241 для эргономики дисплеев, плюс декларации RoHS и REACH.
Данные для выбора одним взглядом
| Параметр | Типичное значение | Примечания |
|---|---|---|
| Полоса пропускания | 185 - 2500 nm (плавленый кварц) | От глубокого УФ до ближнего ИК |
| Показатель преломления | 1.458 (плавленый кварц) | Низкий и высокооднородный |
| CTE | 0.55 × 10⁻⁶ /K | Стойкость к термоудару |
| Содержание OH | < 10 ppm низкое OH, > 200 ppm высокое OH | Выбирается по применению в УФ или ИК |
| Двулучепреломление | < 5 nm/cm (плавленый) | Кристаллический кварц по природе анизотропен |
| Плоскостность | от λ/4 до λ/10 | Кварцевые пластины до λ/20 |
| Скретч-диг | 40-20 стандарт, 20-10 прецизионный | ISO 10110-7 |
| Диапазон толщин | 0.1 - 30 mm | Пластины от 0.1 mm |
| Обработка кромки | Шлифованная, с фаской или тонко доведённая | Сколы ≤ 0.05 mm |
Часто задаваемые вопросы
Почему моё кварцевое окно помутнело при высокой температуре?
Это девитрификация, и её почти всегда вызывают загрязнения — следы щелочей или металлов от обращения, маркировки или упаковки, — а не сам материал. Задавайте обращение без загрязнений для деталей, предназначенных для работы при высокой температуре.
Можно ли наносить покрытие на кварц для лазерных применений?
Да, и покрытие обычно важнее подложки. Порог повреждения задают на рабочей длине волны и длительности импульса и подтверждают на контрольных образцах из той же партии материала.
Насколько плоским можно сделать кварцевое окно?
λ/4 - λ/10 на 633 nm — рутина, а кварцевые пластины можно полировать до λ/20. Поскольку кварц жёсткий и малорасширяющийся, форма стабильна, но в спецификации нужно указать, требуется ли плоскостность в свободном состоянии или в закреплённом.
Нужно коммерческое предложение на оптический кварц и кристаллическое стекло?
Пришлите чертёж, целевую спецификацию или требования к покрытию — оптический инженер ответит в течение 24 часов, указав цену и срок поставки.
Запросить предложение Написать инженеру